林家洋

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州350004)

0 前 言

某電站共安裝7臺(tái)目前世界上單機(jī)容量最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，自1993年8月第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)至1996年12月7臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。槳葉開度測(cè)量作為機(jī)組調(diào)速器實(shí)現(xiàn)協(xié)聯(lián)運(yùn)行最重要的條件之一，20多年來，水輪機(jī)槳葉系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生過多次運(yùn)行中燒瓦、反饋裝置拉斷(如圖1所示)、浮動(dòng)瓦漏油大等缺陷[1]。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外水電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉反饋裝置均采用接觸式結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組運(yùn)行過程中既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也有軸向移動(dòng)，槳葉開度位置測(cè)量必須將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分通過一套軸承過渡裝置轉(zhuǎn)換為只有軸向位移的單一運(yùn)動(dòng)。但是由于其運(yùn)行中要求同心度、垂直度以及水平度相當(dāng)高，旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)行過程中必然存在機(jī)械磨損，一旦位置偏差超過允許范圍，反饋軸蹩勁發(fā)卡，滑軸與滑套配合不同心被拉斷，必須立即組織搶修，整組更換滑軸、滾動(dòng)軸承和滑套，導(dǎo)致較大損失，該問題成為困擾軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的一大隱患。

圖1 接觸式開度反饋結(jié)構(gòu)折斷

1 接觸式槳葉開度反饋裝置失效原因

接觸式槳葉開度反饋裝置失效的主要原因有以下4方面：

(1)結(jié)構(gòu)方面。圖2所示受油器反饋結(jié)構(gòu)由上操作油管、外罩、過渡軸、軸承裝配、滑軸、滑套以及位移傳感器構(gòu)成。上操作油管隨機(jī)組同步旋轉(zhuǎn)，為了實(shí)時(shí)反映機(jī)組槳葉位置狀態(tài)，通過過渡軸及軸承裝配實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向移動(dòng)，從而將槳葉角度位置機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)輸出，為機(jī)組導(dǎo)葉、槳葉通過調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。但是由于反饋裝置整體處于機(jī)組最頂部，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中有多處聯(lián)接及配合，軸承、滑軸、滑套必然存在磨損問題，運(yùn)行中這些部件存在晃動(dòng)不穩(wěn)定狀態(tài)，為設(shè)備正常運(yùn)行埋下隱患[2]。

圖2 受油器原反饋結(jié)構(gòu)示意

(2)安裝及檢修工藝方面。反饋裝置安裝及檢修要求高，必須嚴(yán)格控制反饋軸水平度在0.05 mm/m以內(nèi)，上操作油管與固定部件中心偏差必須小于0.50 mm，同時(shí)，操作油管凈全擺度值必須在0.20 mm 以內(nèi)。由于安裝或檢修時(shí)，操作油管屬于細(xì)長(zhǎng)桿，由上、中、下三段組成，共有4個(gè)分段連接處，其同心度很難保證一致，存在一定曲折量；受油器整體底座水平面受結(jié)構(gòu)及加工限制，水平也很難達(dá)0.05 mm/m以內(nèi)，同心度雖然在檢修或安裝時(shí)調(diào)整合格，但運(yùn)行一段時(shí)間，每次檢修都發(fā)現(xiàn)有較大偏差。這3種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)運(yùn)行后均超過技術(shù)要求，因此，在機(jī)組運(yùn)行中上下移動(dòng)時(shí)容易引起發(fā)卡、蹩勁以及不靈活等問題，超過一定程度就會(huì)導(dǎo)致拉傷、拉斷事故。

(3)運(yùn)行維護(hù)方面。對(duì)于滾動(dòng)軸承、滑軸以及滑套摩擦部件，日常潤(rùn)滑保養(yǎng)是保證其正常運(yùn)行的外部因素，潤(rùn)滑不足造成干摩擦，增加上下移動(dòng)阻力，運(yùn)行受阻導(dǎo)致拉斷。此外，滾動(dòng)軸承運(yùn)行磨損，隨著時(shí)間累積，會(huì)引起間隙變大，若沒有及時(shí)更換檢修，必將導(dǎo)致軸線傾斜、不同心。

(4)不利工況影響方面。作為調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組以及受水電機(jī)組季節(jié)性影響，機(jī)組頻繁開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)節(jié)，必然加大旋轉(zhuǎn)部件磨損、使用壽命縮短。

2 非接觸式槳葉開度反饋裝置研制

目前軸流機(jī)組或貫流機(jī)組槳葉反饋方式基本采用接觸式轉(zhuǎn)換裝置，這是一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于上述4個(gè)方面的原因，導(dǎo)致接觸式槳葉開度反饋裝置失效。針對(duì)產(chǎn)生問題的原因，經(jīng)過多次分析研討，設(shè)計(jì)不同方案，反復(fù)論證，提出非接觸式槳葉開度測(cè)量反饋結(jié)構(gòu)[3]，其基本邏輯框圖如圖3所示。

圖3 非接觸式槳葉開度信號(hào)采集及處理邏輯

非接觸式槳葉反饋裝置采用磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理[4](如圖4所示)，通過兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來準(zhǔn)確測(cè)量位置。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成。測(cè)量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到。由于這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測(cè)量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值，而不是比例的或放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況，更無(wú)需定期重標(biāo)。

圖4 槳葉開度測(cè)量原理示意

表1 槳葉開度傳感器測(cè)量記錄 (°)

3 非接觸式槳葉開度測(cè)量反饋裝置的安裝與運(yùn)行試驗(yàn)

3.1 安裝及注意事項(xiàng)

非接觸式槳葉開度測(cè)量裝置如圖5所示。安裝時(shí)，將轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)在上操作油管上，調(diào)整兩者同心度；將磁性環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，檢查磁性環(huán)與轉(zhuǎn)軸同心情況，再把反饋桿、位移傳感器安裝在外罩頂部平臺(tái)，找準(zhǔn)水平及與磁性環(huán)的同心度，保證圓周方向間基本均勻。同時(shí)，行程刻度板、行程刻度指示線按設(shè)計(jì)要求裝配到位[5]。最后按接線圖，連接電源線、信號(hào)線以及與調(diào)速器電氣柜輸入端子。

安裝及初試中，應(yīng)在接線前檢查供電電源是否滿足+15V DC～+24V DC的要求，并且電源輸出功率必須大于產(chǎn)品總功耗，電纜的屏蔽網(wǎng)線必須保持完好無(wú)斷線，并接到后續(xù)設(shè)備的地端。傳感器的屏蔽電纜線必須避開大功率電源、高壓電纜線、有強(qiáng)電磁輻射的場(chǎng)所、射頻信號(hào)源和其他有噪聲的傳輸線等；數(shù)字信號(hào)輸出方式為4～20 mA電流量。初次通電進(jìn)行全行程開關(guān)試驗(yàn)，并按槳葉開度范圍進(jìn)行重新標(biāo)定，校核機(jī)組協(xié)調(diào)關(guān)系吻合性，信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤。

圖5 非接觸式槳葉開度測(cè)量裝置示意示意

3.2 運(yùn)行試驗(yàn)

該槳葉開度測(cè)量裝置在水輪發(fā)電機(jī)組上是第一次嘗試，為全面了解和掌握各項(xiàng)性能，本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，在未裝入機(jī)組之前，先對(duì)該傳感器按滿量程將零點(diǎn)和滿度調(diào)校好，并在試驗(yàn)室采用外加信號(hào)方式，檢查輸入和輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線性度好、精度高。同時(shí)，將其放在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的車床上進(jìn)行更復(fù)雜的試驗(yàn)，外加擾動(dòng)、振擺動(dòng)、快速移動(dòng)等不同工況，反饋信號(hào)均非常理想。最后，將整套裝置安裝在水輪發(fā)電機(jī)槳葉開度反饋軸上，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行必要的同平度、同心度以及相應(yīng)位置調(diào)整，安裝牢固，在真機(jī)上進(jìn)行模擬機(jī)組各種工況及開度試驗(yàn)。真機(jī)試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。多次長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)表明，新裝置信號(hào)反應(yīng)靈敏，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足使用要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

槳葉開度測(cè)量新技術(shù)在水電站軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)行首次嘗試，通過幾年來機(jī)組各種工況試驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，任何工況下槳葉位移開度與電氣輸出信號(hào)關(guān)系十分吻合，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高。該反饋裝置測(cè)量技術(shù)是一種技術(shù)創(chuàng)新，不會(huì)受到機(jī)組不利工況的影響，完全避免了原反饋裝置可靠性低并常導(dǎo)致機(jī)組事故停機(jī)的重大隱患。實(shí)踐表明新槳葉反饋測(cè)量裝置技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，維護(hù)測(cè)試方便，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行效果良好，創(chuàng)新改進(jìn)取得圓滿成功，對(duì)其他水電站同類機(jī)組具有廣泛的借鑒意義。